Κύκλος Κrebs (Κιτρικού) Τρούγκος Κ.

Ακετυλο Συνένζυμο Α (Acetyl Coenzyme A, Acetyl CoA) • Προέλευση της ακετυλομάδας σε ποικίλα καύσιμα • Χημική και μοριακή δομή του Ακετυλο CoA • Η ακετυλομάδα είναι το καύσιμο, η πηγή των ηλεκτρονίων για τον κύκλο του κιτρικού οξέος

ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΑΝΑΠΝΟΗ Στάδιο 1: Η ενέργεια προέρχεται από την οξείδωση των καυσίμων με ένζυμα που μεταφέρουν ηλεκτρόνια στα συνένζυμα ΝΑD+ και FAD, τα οποία ανάγονται σε NADH και FAD(2H) αντιστοίχως - Οι οδοί για την οξείδωση της γλυκόζης, των λιπαρών οξέων, των κετονικών σωμάτων και των αμινοξέων συγκλίνουν στην παραγωγή του δραστικού ακετυλο-CoA Στάδιο 2: Η πλήρης οξείδωση της ακετυλομάδας σε CΟ2 λαμβάνει χώρα στον Κύκλο του Κιτρικού οξέος, ο οποίος συλλέγει την ενέργεια κυρίως ως NADH και FAD(2H) Στάδιο 3: Η ενέργεια μετατρέπεται στους υψηλούς φωσφορικούς δεσμούς του ΑΤΡ με τη διεργασία της οξειδωτικής φωσφoρυλίωσης - Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το NADH και FAD(2H) στο οξυγόνο με τη μιτοχονδριακή αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων

ΚΥΚΛΟΣ ΤΩΝ ΤΡΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ (ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ KREBS) O κύκλος του Κrebs κατέχει σημαντική θέση στο διάμεσο μεταβολισμό (συμμετέχει τόσο σε καταβολικές, όσο και σε αναβολικές διαδικασίες) - Λαμβάνει χώρα στη μήτρα του μιτοχονδρίου κεντρική του λειτουργία είναι: η οξείδωση του ακετυλο-CoA σε CO2 και ταυτόχρονη παραγωγή ανηγμένων συνενζύμων 5

ΚΥΚΛΟΣ ΤΩΝ ΤΡΙΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ (ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ KREBS) Ταυτόχρονα συμμετέχει σε ένα αριθμό σημαντικών συνθετικών αντιδράσεων βιοσύνθεση λιπαρών οξέων (κιτρικό) βιοσύνθεση αίμης (ηλέκτρυλοCoA) βιοσύνθεση αμινοξέων (α-κετογλουταρικό και οξαλοξικό) γλυκονεογένεση (οξαλοξικό) Οι μεταβολίτες του κύκλου που απομακρύνονται αναπληρώνονται μέσω των αντιδράσεων αναπλήρωσης: μετατροπή πυροσταφυλικού σε οξαλοξικό μετατροπή του γλουταμικου σε α-κετογλουταρικό μετατροπή του ασπαρτικού σε οξαλοξικό σχηματισμό ηλεκτρυλοCoA κατά τον καταβολισμό των αμινοξέων βαλίνη, θρεονίνη, ισολευκίνη και μεθειονίνη ΔΕΝ είναι ένας κλειστός κύκλος αλλά ένας κύκλος όπου έχουμε διαρκή είσοδο και απομάκρυνση ουσιών ανάλογα με τις ανάγκες του οργανισμού 6

Κύκλος Κιτρικού Οξέος ή Τρικαρβοξυλικού Οξέος Tricarboxylic Acid Cycle (TCA) Κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs, από τον Sir Hans Krebs που τον ανακάλυψε το 1937 Λαμβάνει χώρα στη θεμέλια ουσία των μιτοχονδρίων Μεταβολική οδός κατά την οποία κατάλοιπα ακετυλίου ( το Ακετυλο συνένζυμο Α) οξειδώνονται σε 2 CO2 Η οξείδωση επιτελείται με 4 αντιδράσεις που μεταφέρουν ηλεκτρόνια στα συνένζυμα ΝΑD+ ή FAD και από εκεί στην αναπνευστική αλυσίδα ΑκετυλοCoA CO2

Παραγωγή ακετυλο-CoA Το πυροσταφυλικό οξύ, προϊόν της γλυκόλυσης οξειδώνεται σε ακετυλο-CoA από το σύμπλοκο της δεϋδρογονάσης του πυροσταφυλικού Η αντίδραση είναι οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση, κατά την οποία η καρβοξυλική ομάδα από το πυροσταφυλικό ελευθερώνεται σε ένα μόριο CO2 και οι υπόλοιποι άνθρακες σχηματίζουν το ακετυλο-CoA 3 διαφορετικά ένζυμα (Ε1, Ε2, Ε3) καταλύουν την αντίδραση 5 συνένζυμα συμμετέχουν στην αντίδραση, πυροφωσφορική θειαμίνη (ΤΡΡ), FAD, CοΑ, ΝΑD+, λιποϊκό οξύ

Το σύμπλοκο της δεϋδρογονάσης του πυροσταφυλικού (ΡDΗ) αποτελείται από 3 ένζυμα Δεϋδρογονάση του πυροσταφυλικού (Ε1) Τρανσακετυλάση του διϋδρολιποϊκού (Ε2) Δεϋδρογονάση του διϋδρολιποϊκού (Ε3) Στο Ε1 προσδένει το συνένζυμο ΤΡΡ (πυροφωσφορική θειαμίνη) Στο Ε2 προσδένει ομοιοπολικά το λιποϊκό οξύ Στο Ε3 προσδένουν τα συνένζυμα NAD, FAD 9

Κλινικές επιπτώσεις Μεταλλάξεις στα γονίδια των υπομονάδων του συμπλόκου της αφυδρογονάσης του πυροσταφυλικού,ΡDΗ, οδηγούν σε ανεπάρκεια της ΡDΗ, νευρολογικές διαταραχές Ανεπάρκεια θειαμίνης -Ζώα με ανεπάρκεια θειαμίνης αδυνατούν να οξειδώσουν το πυροσταφυλικό –αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τον εγκέφαλο που αποκτά ενέργεια αποκλειστικά από την αερόβια οξείδωση της γλυκόζης σε μια οδό που αναγκαστικά περιλαμβάνει οξείδωση του πυροσταφυλικού - η νόσος Beri-beri οφείλεται σε ανεπάρκεια θειαμίνης, χαρακτηρίζεται από δυσλειτουργία του νευρικού συστήματος. Απαντάται σε πληθυσμούς τον οποίων η δίαιτα βασίζεται στο άσπρο αποφλοιωμένο ρύζι που έχει χάσει τα αποθέματα θειαμίνης - Παρουσιάζεται επίσης σε χρόνιους αλκοολικούς λόγω έλλειψης βιταμινών από τη δίαιτα τους

Αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος

1. Σχηματισμός κιτρικού Συμπύκνωση του ακετυλο-CoA με το οξαλοξικό για το σχηματισμό κιτρικού - καταλυτικό ένζυμο: συνθάση του κιτρικού

2. Σχηματισμός ισοκιτρικού μέσω του cis-ακονικού Καταλυτικό ένζυμο: Ακονιτάση → αντιστρεπτή προσθήκη Η2Ο στο διπλό δεσμό του cis-ακονιτικού

3. Οξείδωση του ισοκιτρικού σε α-κετογλουταρικό και CO2 Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση Καταλυτικό ένζυμο: δεϋδρογονάση ισοκιτρικού (Μn2+ στο ενεργό κέντρο, 2 μορφές: χρησιμοποιούν ΝΑD+ ή ΝΑDP + ανάλογα) 1. Πρόσδεση του ισοκιτρικού στο ένζυμο →οξείδωση, μεταφορά υδριδίου στο ΝΑD + ή ΝΑDP + 2. Αποκαρβοξυλίωση: Αλληλεπίδραση του οξυγόνου της καρβονυλομάδας με ένα ιόν Μn2+ 3. Αναδιάταξη του ενολικού ενδιαμέσου για την δημιουργία α-κετογλουταρικού

4. Οξείδωση του α-κετογλουταρικού σε ηλεκτρυλο-CoA και CO2 Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση Καταλυτικό ένζυμο: σύμπλοκο δεϋδρογονάσης α-κετογλουταρικού (παρόμοιας δομής/λειτουργίας με PDH /λιποικό,ΤΡΡ,FAD,NAD+,CoA)

5. Μετατροπή ηλεκτρυλο-CoA σε ηλεκτρικό Αντίδραση διατήρησης ενέργειας υπό μορφή ATP GTP + ADP → GDP + ATP

6. Οξείδωση του ηλεκτρικού σε φουμαρικό Καταλυτικό ένζυμο: δεϋδρογονάση ηλεκτρικού - στα ευκαρυωτικά κύτταρα: εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη - στα προκαρυωτικά κύτταρα: κυτταρική μεμβράνη

7. Ενυδάτωση του φουμαρικού σε μηλικό Καταλυτικό ένζυμο: φουμαράση (υδρατάση του φουμαρικού)

8. Οξείδωση του μηλικού σε οξαλοξικό Καταλυτικό ένζυμο: δεϋδρογονάση μηλικού (συνδεδεμένη με NAD)

Προϊόντα ενός γύρου του κύκλου του κιτρικού οξέος 3 NADH 1 FADH2 1 GTP (ή 1ATP) 2 CO2

Κύκλος Κιτρικού οξέος ΙΙ. Μεταβολικές λειτουργίες Ο κύκλος του κιτρικού οξέος θεωρείται ως ‘ο μοχλός που κινεί το διάμεσο μεταβολισμό’ Είναι ‘αμφιβολικός’, έχει τόσο αναβολικές όσο και καταβολικές λειτουργίες Α. Αναβολικές λειτουργίες - ο κύκλος κιτρικού οξέος παράγει σημαντικές πρόδρομες ενώσεις για αναβολικές οδούς όπως: 1. η βιοσύνθεση της γλυκόζης (Γλυκονεογένεση) 2. η σύνθεση της αίμης και των πορφυρινών 3. η σύνθεση των αμινοξέων 4. η βιοσύνθεση των λιπαρών οξέων

Β. Καταβολικές αντιδράσεις - Για να διαφυλαχθεί η ομαλή ροή του κύκλου, οι ιστοί πρέπει να προμηθεύουν αρκετά τετρανθρακικά ενδιάμεσα για να αντισταθμίσουν την απομάκρυνση τους από άλλες οδούς. - Αντιδράσεις που προμηθεύουν ενδιάμεσα 4-ανθράκων στον κύκλο καλούνται ‘αναπληρωτικές αντιδράσεις’ Πυροσταφυλική Καρβοξυλάση στο ήπαρ και στους νεφρούς Η γλουταμίνη μετατρέπεται αντιστρεπτά σε α-κετογλουταρικό από τρανσαμινάσες και γλουταμινική αφυδρογονάση Ο ανθρακικός σκελετός της βαλίνης, ισολευκίνης, θυμίνης κλπ. εισέρχονται στον κύκλο στο επίπεδο του ηλεκτρυλο CoA. Αυτή η οδός ανευρίσκεται σε όλους τους ιστούς

Ρύθμιση κύκλου Krebs Ταχύτητα γλυκόλυσης εναρμονίζεται με αυτή του κύκλου του Krebs. Υπενθύμιση » κιτρικό είναι αναστολέας της φωσφοφρουκτοκινάσης.

Ρύθμιση του κιτρικού κύκλου ● Η ταχύτητα της ροής των μεταβολιτών στον κύκλο ρυθμίζεται από 3 παράγοντες: 1. συγκέντρωση υποστρωμάτων 2. αναστολή από τα συσσωρευμένα προϊόντα 3. αλλοστερική ανάδρομη αναστολή των ενζύμων που καταλύουν τα πρώτα βήματα του κύκλου ● Η ροή των ατόμων του άνθρακα στον κύκλο υφίσταται ρύθμιση στα εξής βήματα: 1. Μετατροπή του πυροσταφυλικού σε ακετυλο-CoA (η αφετηρία του κύκλου) μέσω αφυδρογονάσης του πυροσταφυλικού 2. Eίσοδο του ακετυλο-CoA στον κύκλο, στην αντίδραση της συνθάσης του κιτρικού 3. Μετατροπή ισοκιτρικού σε α-κετογλουταρικό μέσω αφϋδρογονάσης ισοκιτρικού 4. Μετατροπή α-κετογλουταρικού σε ηλεκτρυλο-CoA μέσω αφϋδρογονάσης α-κετογλουταρικού

Κύρια σημεία ρύθμισης του κύκλου 1 2 3 4